专家讲座--膜科学技术应用、发展
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❖ 能耗低 ➢ 恒沸精馏乙醇耗能5.768kJ/L。
➢ NaA分子筛膜渗透汽化乙醇脱水耗能0.543kJ/L。
➢ 节能90%以上。
❖ 在室温下工作。 ➢ 医药生产避免药物分解产生的副作用。。 ➢ 保持食品的营养和风味。 ❖ 操作简便，规模和处理能力可在很大范围能变
化。 ❖ 设备体积小，占地较少。
3. 膜材料 人工合成的膜材料包括高分子材料和无机膜材
气体渗透分离膜分离过程
2.1 膜分离过程的特点
❖ 高效 ➢ 传统的重力分离技术最小极限为mm，膜分离为 nm级。
➢ 超过90%乙醇水溶液已接近恒沸点，传统的蒸馏 很难分离，膜渗透汽化的分离系数达几百，甚至 上万。
➢ H2/N2用传统的方法分离需低温，相对挥发度小， 用聚砜膜分离，分离系数达80，用聚酰亚胺膜则 超过120。
结构参数:
O
孔道尺寸: 7.47.4 A
基本单元: 12元环
NaX分子筛结构图
5. 无机膜的的结构 ❖ 无机膜一般为复合非对称结构:
12 3
4
1. 多孔支撑层 (孔径1~15mm，厚度2mm) 2. 中间过渡层 (孔径0.1~1.5mm，厚度10~50mm) 3. 分离层(孔径3~100 nm，厚度0.5~30mm) 4. 分离层改性
膜分离技术的应用及发展
王金渠
2005年5月
一、膜与膜过程
1. 膜—选择透过物质的“栅栏”(Barrier)
多孔膜
致密膜
2.膜过程—在推动力选择透过膜分离与纯化
进料(液态)
P1
PP22 << PP11
浓缩物
惰性气体
渗透物
渗透蒸发膜分离过程
进料(气态)
P1 > P1
P2 P<2P1
浓缩物
渗透物(气态)
利用天然气需解决两个问题：
1. 天然气净化，脱出其中的H2O, H2S, CO2 H2O 与CH4产生水合物(可燃冰)，天然气管道输送
(西气东输)堵塞管道； H2S 管道、设备腐蚀、环境污染/ CO2 热值低
用膜可脱除天然气中的H2O，H2S，CO2
H2O
H2S
CH4，C2H6 H2O H2S，CO2
高的渗透通量，抗污染； 容易实现催化与电化学活性； 孔径分布窄，分离效率高，孔径及孔径分布易调节和
控制。
❖ 无机膜的缺点:
无机材料脆性大，弹性小； 相对高的造价； 高温密封困难； 不耐强碱。
4. 无机膜的特点
❖ 无机膜具有聚合物分离膜所无法比拟的一些优 点:
化学稳定性好,耐酸,耐碱,耐有机溶剂； 机械强度大，担载无机膜可承受几十个大气压的外压，
料。
3.1 高分子膜材料 主要类型： ➢ 纤维素及衍生物类—二醋酸纤维素（CA） ➢ 聚酰胺类—尼龙-66（NY-66） ➢ 芳香杂环类—聚酰亚胺（PMDA） ➢聚砜类—聚醚砜（PES） ➢聚烯烃类—聚乙烯醇（PVA）
➢ 硅橡胶类—聚二甲基硅烷（PDMS） ➢含氟高分子类—聚偏氟丙烯（PVDF）
CH4，C2H6
CO2
膜法与传统方法比较
传统方法
设备庞大 投资高 运行费用大 海上天然气开采无法实现
膜法
占地少 投资省 成本低 可用于海上天然气开采
2. 体积能量密度低，(33.936 MJ/m3，为汽油的22%)， 运输困难，——低成本转化成液体燃料(Gas To Liquid)
技术路线：
天然气 占总成本60% 合成气
在水资源、能源、环境、健康和传统技术改造 等领域发挥关键作用；
面向国家重大需求，实现国家发展多项战略目 标，无机膜应用主要在以下及方面
1. 在我国能源结构调整中将发挥关键作用
我国能源消费结构图：
石油
20%
煤
天然气等
75%
5%
能源结构不合理，供求矛盾恶化。
调整措施 天然气资源充分利用
我国已探明天然气资源为1.581012 m3 我国能源消耗结构天然气占2% 21世纪中叶达40%
已有数百种高分子材料被研究制备成膜。
3.2 无机膜材料及分类 由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多
孔玻璃、沸石、炭、无机高分子材料制成的半透 膜称为无机膜。
无 机 膜 的 类 型
❖ 沸石分子筛膜
➢ NaA分子筛膜
结构参数:
O
孔道尺寸: 4.14.1 A
基本单元: 8元环
NaA分子筛结构图
➢ NaX分子筛膜
并可反向冲洗； 耐高温，一般均可在400oC操作，最高可达800Βιβλιοθήκη BaiduC以上，
可高温水蒸汽消毒； 抗微生物能力强，不与微生物发生作用，可以在生物
工程及医学科学领域中应用； 不易老化，使用寿命长；
二、膜应用领域
无机膜作为膜和膜过程的重要分支为当代新型 高效的共性技术,成为实现可持续发展战略的重 要组成部分;
C2H5OH 93% H2O 7%
(CH4)
(H2O+CO)
F-T合成
(Fisher-ropsch)
合成汽油
•
•
水蒸CH重4 整 缺点：
能操设液 耗作备态 大成投油
本资成 高高本
大 于
美 元 桶
•
35 /
•
透氧膜部分CH氧4 化(POM)
Mixed Conducting Membrane
•
•
特点：
能安节液 耗全约态 低可成油
靠本成 本 美 元 桶
25~50%
•
20 /
•
Reaction side
CO+H2
CO+H2 CH4+O2—2e-
CH4
Reaction side
O2 rich side e-
O2e- 2O2+- 4e- O2 O2-
O2 rich side
Partial Oxidation Catalyst
研究现状
❖ 1994年美国能源部设巨资(1500万美元)进行此项 研究
❖ 美国Worcester Polytechnic Institute马忆华教授， 用 POLMa0研.2B究a0。.8Fe0.8Co0.2O3-s钙钛矿透氧膜进行了
❖ 我国高科发展计划(“863”)立项进行了研究。 膜生物反应器、膜渗透汽化技术制燃料乙醇
❖ 技术路线
CO2
H2O
醇 液 循 环 原料
❖ 1998年美国将该项研究经费增加到8400万美元 ❖ 美国BP、Praxair等公司自筹8000万美元用于该
项研究
❖ 日本、欧共体高度重视，投入巨资开展研究
❖ 美国Argonne国家实验室与Amoco公司合作利用 混合导体透氧膜反应器，以空气为氧化剂，实 现 98%了，甲C烷O部选分择氧性化90(%PO，M稳)制定合运成行气10，00C小H时4转化率
➢ NaA分子筛膜渗透汽化乙醇脱水耗能0.543kJ/L。
➢ 节能90%以上。
❖ 在室温下工作。 ➢ 医药生产避免药物分解产生的副作用。。 ➢ 保持食品的营养和风味。 ❖ 操作简便，规模和处理能力可在很大范围能变
化。 ❖ 设备体积小，占地较少。
3. 膜材料 人工合成的膜材料包括高分子材料和无机膜材
气体渗透分离膜分离过程
2.1 膜分离过程的特点
❖ 高效 ➢ 传统的重力分离技术最小极限为mm，膜分离为 nm级。
➢ 超过90%乙醇水溶液已接近恒沸点，传统的蒸馏 很难分离，膜渗透汽化的分离系数达几百，甚至 上万。
➢ H2/N2用传统的方法分离需低温，相对挥发度小， 用聚砜膜分离，分离系数达80，用聚酰亚胺膜则 超过120。
结构参数:
O
孔道尺寸: 7.47.4 A
基本单元: 12元环
NaX分子筛结构图
5. 无机膜的的结构 ❖ 无机膜一般为复合非对称结构:
12 3
4
1. 多孔支撑层 (孔径1~15mm，厚度2mm) 2. 中间过渡层 (孔径0.1~1.5mm，厚度10~50mm) 3. 分离层(孔径3~100 nm，厚度0.5~30mm) 4. 分离层改性
膜分离技术的应用及发展
王金渠
2005年5月
一、膜与膜过程
1. 膜—选择透过物质的“栅栏”(Barrier)
多孔膜
致密膜
2.膜过程—在推动力选择透过膜分离与纯化
进料(液态)
P1
PP22 << PP11
浓缩物
惰性气体
渗透物
渗透蒸发膜分离过程
进料(气态)
P1 > P1
P2 P<2P1
浓缩物
渗透物(气态)
利用天然气需解决两个问题：
1. 天然气净化，脱出其中的H2O, H2S, CO2 H2O 与CH4产生水合物(可燃冰)，天然气管道输送
(西气东输)堵塞管道； H2S 管道、设备腐蚀、环境污染/ CO2 热值低
用膜可脱除天然气中的H2O，H2S，CO2
H2O
H2S
CH4，C2H6 H2O H2S，CO2
高的渗透通量，抗污染； 容易实现催化与电化学活性； 孔径分布窄，分离效率高，孔径及孔径分布易调节和
控制。
❖ 无机膜的缺点:
无机材料脆性大，弹性小； 相对高的造价； 高温密封困难； 不耐强碱。
4. 无机膜的特点
❖ 无机膜具有聚合物分离膜所无法比拟的一些优 点:
化学稳定性好,耐酸,耐碱,耐有机溶剂； 机械强度大，担载无机膜可承受几十个大气压的外压，
料。
3.1 高分子膜材料 主要类型： ➢ 纤维素及衍生物类—二醋酸纤维素（CA） ➢ 聚酰胺类—尼龙-66（NY-66） ➢ 芳香杂环类—聚酰亚胺（PMDA） ➢聚砜类—聚醚砜（PES） ➢聚烯烃类—聚乙烯醇（PVA）
➢ 硅橡胶类—聚二甲基硅烷（PDMS） ➢含氟高分子类—聚偏氟丙烯（PVDF）
CH4，C2H6
CO2
膜法与传统方法比较
传统方法
设备庞大 投资高 运行费用大 海上天然气开采无法实现
膜法
占地少 投资省 成本低 可用于海上天然气开采
2. 体积能量密度低，(33.936 MJ/m3，为汽油的22%)， 运输困难，——低成本转化成液体燃料(Gas To Liquid)
技术路线：
天然气 占总成本60% 合成气
在水资源、能源、环境、健康和传统技术改造 等领域发挥关键作用；
面向国家重大需求，实现国家发展多项战略目 标，无机膜应用主要在以下及方面
1. 在我国能源结构调整中将发挥关键作用
我国能源消费结构图：
石油
20%
煤
天然气等
75%
5%
能源结构不合理，供求矛盾恶化。
调整措施 天然气资源充分利用
我国已探明天然气资源为1.581012 m3 我国能源消耗结构天然气占2% 21世纪中叶达40%
已有数百种高分子材料被研究制备成膜。
3.2 无机膜材料及分类 由无机材料，如金属、金属氧化物、陶瓷、多
孔玻璃、沸石、炭、无机高分子材料制成的半透 膜称为无机膜。
无 机 膜 的 类 型
❖ 沸石分子筛膜
➢ NaA分子筛膜
结构参数:
O
孔道尺寸: 4.14.1 A
基本单元: 8元环
NaA分子筛结构图
➢ NaX分子筛膜
并可反向冲洗； 耐高温，一般均可在400oC操作，最高可达800Βιβλιοθήκη BaiduC以上，
可高温水蒸汽消毒； 抗微生物能力强，不与微生物发生作用，可以在生物
工程及医学科学领域中应用； 不易老化，使用寿命长；
二、膜应用领域
无机膜作为膜和膜过程的重要分支为当代新型 高效的共性技术,成为实现可持续发展战略的重 要组成部分;
C2H5OH 93% H2O 7%
(CH4)
(H2O+CO)
F-T合成
(Fisher-ropsch)
合成汽油
•
•
水蒸CH重4 整 缺点：
能操设液 耗作备态 大成投油
本资成 高高本
大 于
美 元 桶
•
35 /
•
透氧膜部分CH氧4 化(POM)
Mixed Conducting Membrane
•
•
特点：
能安节液 耗全约态 低可成油
靠本成 本 美 元 桶
25~50%
•
20 /
•
Reaction side
CO+H2
CO+H2 CH4+O2—2e-
CH4
Reaction side
O2 rich side e-
O2e- 2O2+- 4e- O2 O2-
O2 rich side
Partial Oxidation Catalyst
研究现状
❖ 1994年美国能源部设巨资(1500万美元)进行此项 研究
❖ 美国Worcester Polytechnic Institute马忆华教授， 用 POLMa0研.2B究a0。.8Fe0.8Co0.2O3-s钙钛矿透氧膜进行了
❖ 我国高科发展计划(“863”)立项进行了研究。 膜生物反应器、膜渗透汽化技术制燃料乙醇
❖ 技术路线
CO2
H2O
醇 液 循 环 原料
❖ 1998年美国将该项研究经费增加到8400万美元 ❖ 美国BP、Praxair等公司自筹8000万美元用于该
项研究
❖ 日本、欧共体高度重视，投入巨资开展研究
❖ 美国Argonne国家实验室与Amoco公司合作利用 混合导体透氧膜反应器，以空气为氧化剂，实 现 98%了，甲C烷O部选分择氧性化90(%PO，M稳)制定合运成行气10，00C小H时4转化率